PL204813B1

PL204813B1 - Zespół optyczny do elipsometrycznego, dwuwymiarowego obrazowania obiektu umieszczonego w ośrodku padania światła i sposób elipsometrycznego, dwuwymiarowego obrazowania obiektu umieszczonego w ośrodku padania światła

Info

Publication number: PL204813B1
Application number: PL363425A
Authority: PL
Inventors: Dominique Ausserre; Marie-Pierre Valignat
Original assignee: Centre Nat Rech Scient; Univ Paris Curie
Priority date: 2000-12-18
Filing date: 2001-12-18
Publication date: 2010-02-26
Also published as: AU2810802A; JP4163951B2; JP4863979B2; KR20030061006A; HK1065102A1; KR100923271B1; WO2002050513A1; FR2818376B1; US20040085537A1; EP1346201A1; AU2002228108B2; US20070188755A1; CA2431943A1; CN1275030C; IL156480A0; JP2004516469A; US7307726B2; IL193361A0; AU2002228108B8; CN1489688A

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zespół optyczny do elipsometrycznego, dwuwymiarowego obrazowania obiektu umieszczonego w ośrodku padania światła i sposób elipsometrycznego, dwuwymiarowego obrazowania obiektu umieszczonego w ośrodku padania światła, które są szczególnie przydatne do obrazowania obiektu przy zastosowaniu kontrastu elipsometrycznego lub kontrastu interferencyjnego.

Ze stanu techniki wiadomo, że próbka odbierająca i odbijająca światło powoduje w ogólności modyfikacje jego polaryzacji.

Wykorzystanie tego zjawiska umożliwia wizualizację próbki lub charakteryzację tej próbki poprzez pomiar jej parametrów elipsometrycznych, oznaczanych w ogólności symbolami ψ i Δ (przykładowo książka autorstwa Azzam i Bashara, opublikowana w 1979 roku).

Początkowo poszukiwano procesu ekstynkcji współczynnika Fresnela rp pod kątem Brewstera w celu uzyskania dokładnego pomiaru elipsometrycznego parametrów ψ i Δ (elipsometria) lub czuł ego obrazowania bardzo cienkich folii, szczególnie na powierzchni wody (mikroskopia z kątem Brewstera).

Poza tym poszukiwano rozwiązań polegających na napromieniowaniu obszaru próbki pod jednym kątem padania oraz jednym azymutem w celu pomiaru parametrów ψ i Δ odpowiadających temu obszarowi.

Celem tych działań jest opracowanie zespołu optycznego, który umożliwi dostarczenie jednoczesnej obróbki parametrów ψ i Δ dla wielu punktów próbki, z których każdy określony jest przez współrzędne x i y. Jest to określane dwuwymiarowym elipsometrycznym obrazowaniem lub pomiarem próbki.

Te poszukiwania i działania dotyczyły małych próbek, które mogą być obserwowane, obrazowane lub mierzone pod optycznym mikroskopem odbiciowym. Może to być konwencjonalna mikroskopia, mikroskopia o kontraście różniczkowo-interferencyjnym lub mikroskopia fluorescencyjna.

Ten rodzaj obserwacji mikroskopowych stwarza szczególne ograniczenia, gdyż z jednej strony soczewki mikroskopu muszą mieć szeroką aperturę numeryczną, co stwarza warunki obserwacji znacząco różne od typowych warunków pomiarów elipsometrycznych, gdzie promienie, promienie oświetlające jak też promienie pomiarowe (lub promienie odbite), są generalnie skolimowanymi promieniami o małej aperturze, a z drugiej strony, gdzie promienie oświetlające są najczęściej rozłożone równomiernie wokół normalnego kąta padania, to jest w zakresie kątów padania z trudem nadających się do wykorzystania w elipsometrii.

Proponowane uprzednio sposoby obrazowania oparte były na wykorzystaniu podłoża antyodbiciowego, ale stosują się one do „niekoherentnego” współczynnika odbicia podłoża. Podłoża sugerowane uprzednio są więc antyodbiciowe dla światła niespolaryzowanego lub dla światła spolaryzowanego o stałym kierunku polaryzacji względem płaszczyzny padania, co jest niekompatybilne z wykorzystaniem mikroskopu. Zasada ta oparta jest na minimalizacji drugiego wyrazu równania (E4).

Φ„(0,Λ!Ρ) = Ι(

r) (E4) gdzie rp i rs są zespolonymi współczynnikami odbicia dla każdej z polaryzacji na podłożu, które zależą bezpośrednio od współrzędnych x i y, Φ_Ν(θ, NP) jest znormalizowanym strumieniem odbitym dla kąta padania υ w świetle niespolaryzowanym.

Oczywiste jest, że całkowita ekstynkcja możliwa jest tylko dla |rp|=|rs|=0, co jest warunkiem niezmiernie ograniczającym, gdyż wartości obydwu współczynników Fresnela są ustalone. Warunek całkowitej ekstynkcji, |rp+rs|=0, jest daleko bardziej elastyczny, gdyż przekłada się on tylko na związek między obydwoma współczynnikami Fresnela, rp = -r

Sugerowano także antyodbiciowe podłoża dla światła spolaryzowanego w celu zwiększenia wydajności elipsometrów, ale dotychczas elipsometria i mikroskopia optyczna uważane są za niekompatybilne.

Celem wynalazku jest opracowanie urządzenia i sposobu elipsometrycznego dwuwymiarowego obrazowania obiektu o bardzo małej grubości, niewidocznego pod mikroskopem optycznym w warunkach obserwacji uważanych za odpowiednie do zastosowania dla komercyjnie dostępnego mikroskopu optycznego.

PL 204 813 B1

Zespół optyczny do elipsometrycznego, dwuwymiarowego obrazowania obiektu umieszczonego w ośrodku padania ś wiatł a, zawierają cy ź ródł o ś wiatł a spójnego, kierują ce światł o spójne na obiekt, oraz podłoże, umieszczone na torze światła spójnego, przeznaczone do podpierania obiektu dla utworzenia próbki przeznaczonej do obserwowania, która to próbka jest umieszczona pomiędzy analizatorem i polaryzatorem, według wynalazku charakteryzuje się tym, że podłoże jest w postaci podstawy umieszczonej pod stosem warstw, przy czym własności elipsometryczne podłoża i grubość e stosu warstw będącego w styczności z obiektem są tak dobrane, że przy danym kącie padania θ światła spójnego, zespolone współczynniki odbicia rp i rs podłoża spełniają warunek d²/de²[Ln|rp+rs|]=0, przez co zmiany parametrów elipsometrycznych próbki w wyniku obecności obiektu są obrazowane z kontrastem większym niż kontrast wytworzony przy obserwowaniu samego obiektu bez podłoża, oświetlonego i obserwowanego poprzez odbicie w świetle spójnym pomiędzy krzyżowym analizatorem i polaryzatorem.

Źródło światła spójnego zawiera dodatkowo soczewkę o szerokiej aperturze, taką jak obiektyw mikroskopu.

Mikroskop jest mikroskopem z kontrastem różniczkowo-interferencyjnym.

Mikroskop jest mikroskopem fluorescencyjnym.

Własności optyczne podłoża są tak dobrane, aby zminimalizować wartość wielkości |rp+rs| na zbiorze wartości e.

Źródło światła spójnego zawiera źródło światła polichromatycznego.

Źródło światła spójnego zawiera źródło światła monochromatycznego.

Podstawa wykonana jest z krzemu.

Stos warstw zawiera pojedynczą warstwę.

Pojedyncza warstwa jest warstwą krzemionki.

Warstwa krzemionki ma grubość rzędu 102,5 nm, zaś ośrodkiem padania światła jest powietrze.

Pojedyncza warstwa jest warstwą fluorku magnezu.

Pojedyncza warstwa jest warstwą polimerową.

Pojedyncza warstwa jest warstwą polimerową o współczynniku refrakcji zasadniczo równym 1,343, zaś ośrodkiem padania światła jest powietrze.

Pojedyncza warstwa jest warstwą mineralną o współczynniku refrakcji zasadniczo równym 1,74, zaś ośrodkiem padania światła jest woda.

Pojedyncza warstwa jest warstwą mineralną o współczynniku refrakcji zasadniczo równym 1,945, zaś ośrodkiem padania światła jest olej o współczynniku refrakcji 1,5.

Pojedyncza warstwa jest nieciągła i jest zbudowana z bloczków krzemionki o współczynniku refrakcji 1,343 i o tej samej wysokości, która określa grubość warstwy, i mających wymiary przekroju znacznie mniejsze niż jeden mikrometr, zaś ośrodkiem padania światła jest powietrze.

Pojedyncza warstwa jest mineralną lub organiczną warstwą mezoporowatą lub nanoporowatą o współczynniku refrakcji równym zasadniczo 1,343, zaś ośrodkiem padania światła jest powietrze.

Pojedyncza warstwa jest warstwą mineralnego aerożelu o współczynniku refrakcji równym zasadniczo 1,343, zaś ośrodkiem padania światła jest powietrze.

Mikroskop zawiera przesłonę apertury w postaci podłużnej szczeliny regulowanej wokół osi mikroskopu, ograniczającej stożek oświetlenia próbki do pojedynczej płaszczyzny padania światła w wybranym kierunku.

Mikroskop zawiera przesłonę apertury w postaci pierścienia, ograniczającego stożek oświetlenia próbki wokół kąta padania.

Obiektem jest cienka folia a stos warstw zawiera ukośną warstwę, której grubość zmienia się monotonicznie w kierunku X wzdłuż powierzchni.

Podłoże stanowi dno pudła Petriego.

Próbka jest matrycą multisensora.

Każdy bloczek lub płytka matrycy multisensora stanowi ostatnią warstwę stosu warstw.

Multisensor jest chipem bakteryjnym, wirusowym, antygenowym, białkowym, DNA, RNA lub chromosomowym.

Próbka, oświetlana światłem spójnym i obserwowana poprzez odbicie, znajduje się pomiędzy analizatorem i krzyżowym polaryzatorem.

Zespół według wynalazku zawiera mikroskop polaryzujący z poprzecznym rozkładem przestrzennym, który to mikroskop zawiera obiektyw, półprzezroczyste zwierciadło i przesłonę apertury w postaci szczeliny wycentrowanej na osi mikroskopu, obracają cej się w płaszczyźnie przesłony

PL 204 813 B1 apertury, i ewentualnie nałożonej na przesłonę pierścieniową, a ponadto zawiera pojedynczy polaryzator umieszczony pomiędzy półprzezroczystym zwierciadłem a próbką po każdej stronie obiektywu.

Mikroskop zawiera również okular, zaś obraz tylnej płaszczyzny ogniskowej obiektywu tworzony jest w płaszczyźnie ogniskowej okularu przez soczewkę Bertranda, przy czym w płaszczyźnie tej jest umieszczona kamera CCD.

Zespół zawiera mikroskop, wyposażony w okular, obiektyw, półprzezroczyste zwierciadło i przesłonę apertury, zaś polaryzator oraz analizator, pomiędzy którymi jest umieszczona i obserwowana próbka, mają ustaloną wzajemną orientację, przy czym przesłona apertury jest w postaci otworu lub pierścienia, zaś obraz tylnej płaszczyzny ogniskowej obiektywu tworzony jest w płaszczyźnie ogniskowej okularu przez soczewkę Bertranda, w której to płaszczyźnie jest umieszczona kamera CCD.

Zespół zawiera mikroskop, wyposażony w okular, obiektyw, półprzezroczyste zwierciadło i przesłonę apertury w postaci otworu lub pierścienia, zaś obraz tylnej płaszczyzny ogniskowej obiektywu tworzony jest w płaszczyźnie ogniskowej okularu przez soczewkę Bertranda, w której to płaszczyźnie jest umieszczona kamera CCD.

Kamera jest kolorową kamerą tri- CCD.

Sposób elipsometrycznego, dwuwymiarowego obrazowania obiektu umieszczonego w ośrodku padania światła, zawierającym źródło światła spójnego na którego torze znajduje się podłoże podpierające obiekt, tworząc razem przeznaczoną do obserwowania próbkę umieszczoną pomiędzy analizatorem i polaryzatorem, według wynalazku charakteryzuje się tym, że jako obiekt stosuje się cienką folię osadzoną na jednym z elementów podłoża, zaś jako stos warstw stosuje się ukośną warstwę, której grubość zmienia się w sposób monotoniczny w kierunku X wzdłuż powierzchni, i przecina się podłoże równolegle do kierunku X na dwa elementy, po czym na jednym z tych elementów osadza się obiekt w postaci cienkiej folii, i obydwa te elementy umieszcza się pomiędzy polaryzatorem i krzyżowym analizatorem pod mikroskopem polaryzującym odbicie, który oświetla się światłem polichromatycznym dla utworzenia na każdym z tych elementów barwnych prążków interferencyjnych, po czym mierzy się przesunięcie prążków utworzonych odpowiednio w każdym z tych elementów i w oparciu o to przesunię cie wyznacza się wł asności warstwy osadzonej na jednym z tych elementów.

Próbkę oświetla się przez wiązkę oświetlającą spolaryzowaną liniowo przez polaryzator za pośrednictwem przesłony apertury i analizuje się światło odbite przez próbkę za pomocą analizatora, przy czym ustala się względną orientację φ kierunku polaryzacji względem kierunku wiązki oświetlającej i moduluje się natężenie światła odbitego poprzez względny obrót polaryzacji wiązki oświetlającej i analizatora, zaś jako przesłonę apertury wiązki oświetlającej stosuje się pierścień wycentrowany na osi wiązki i określający pojedynczy kąt padania lub przesłonę wyznaczającą stożek oświetlający, obejmujący zakres kątów padania, przy czym jednocześnie w każdym punkcie otrzymanego obrazu próbki mierzy się średni strumień odbity φ_Μ(χ,γ) oraz amplitudę jego modulacji φm(x,y), i przetwarza się pomiary Φιμ^υ) oraz φ,^^^) dla wyznaczenia na ich podstawie jednocześnie w każdym punkcie próbki dwóch kombinacji parametrów elipsometrycznych u/(x,y) oraz Δ^,γ) oraz współczynnika odbicia |rs|²(x,y) na podstawie wzorów:

i dla wyznaczenia na ich podstawie kombinacji sin(2ψ)cosΔ pojedynczych elipsometrycznych parametrów u/(x,y) i Δ^,γ) na podstawie wzoru:

^^„O-sin^cosA)

PL 204 813 B1 przy czym parametry rs, ψ i Δ są efektywnymi parametrami pochodzącymi ze średnich na wszystkich kątach padania według wzoru:

Stosuje się dodatkowy etap, w którym ustala się orientację ukierunkowania analizatora jako nieprostopadłą do kierunku polaryzacji wiązki oświetlającej, na przykład pod katem φ=0°, zaś jako przesłonę apertury wiązki oświetlającej stosuje się szczelinę regulowaną wokół osi optycznej mikroskopu, nałożoną na pierścień ograniczający pojedynczy kąt padania, lub przesłonę wyznaczającą stożek oświetlający, obejmujący zakres kątów padania, po czym mierzy się natężenie światła odbitego dla obydwu orientacji φ=0 i φ=π/2 szczeliny, i przetwarza się te pomiary natężenia dla otrzymania wartości Ιρψ, biorąc pierwiastek kwadratowy ich stosunku zgodnie z trzema wzorami:

^{/ =} 4%l ^COSV dla φ = o modulo π

W ^cos Φ dla φ = π/2 modulo π przy czym parametry ψ i Δ są efektywnymi parametrami pochodzącymi ze średnich na wszystkich kątach padania i spełniają zależności:

Stosuje się dodatkowy etap, w którym ustala się orientację ukierunkowania analizatora względem kierunku polaryzacji wiązki oświetlającej na φ = 0, i moduluje się natężenie światła odbitego przez obrót przesłony wokół osi optycznej, przy czym jednocześnie w każdym punkcie próbki mierzy się średni strumień odbity φ_M(x,y) oraz jego amplitudę modulacji Φ_π(χ,Υ), a następnie przetwarza się pomiary Φ_μ(χ,υ) oraz Φ_π(χ,υ) dla wyznaczenia na ich podstawie obydwu kątów elipsometrycznych ψ(χ,γ) i Δ(χ,υ) oraz modułów |r_p| i |r_s| współczynników odbicia na podstawie wzoru:

Γρ I cos² ę?cos² (φ -φ) + |r_s |² sin² ę?sin² (0 - φ)

I = A² ‘ _λ sin2<z>sin(2d-2<z>) +(v. ^+rz>)— . ——

Próbkę oświetla się wiązką oświetlającą, spolaryzowaną liniowo przez polaryzator za pośrednictwem przesłony apertury, zaś światło odbite przez próbkę analizuje się za pomocą analizatora, przy czym ustala się względną orientację φ kierunku polaryzacji względem kierunku wiązki oświetlającej, i moduluje się natężenie światła odbitego poprzez względny obrót polaryzacji wiązki oświetlającej i analizatora, zaś jako przesłonę apertury wiązki oświetlającej stosuje się szczelinę regulowaną wokół osi optycznej mikroskopu, nałożoną na pierścień określający pojedynczy kąt padania, przy czym w etapie pomiaru ustala się ukierunkowanie analizatora względem polaryzatora na wartość różną od π/2 modulo π, i mierzy się natężenie wiązki odbitej dla przynajmniej dwóch różnych i nie nadmiarowych orientacji kąta φ szczeliny, i dla przynajmniej dwóch różnych względnych orientacji φ kierunku

PL 204 813 B1 polaryzacji analizatora w stosunku do orientacji wiązki oświetlającej, po czym przetwarza się pomiary natężenia w oparciu o wzór:

a następnie wyznacza się wartości obydwu kątów elipsometrycznych ψ(χ^) i Δ(χ^), i wartości modułów współczynników odbicia |rp| i |rs|, jednocześnie w każdym punkcie próbki, przy czym parametry rs, ψ i Δ stanowią efektywne parametry pochodzące ze średnich na wszystkich kątach padania, spełniające zależności:

Próbkę oświetla się przez wiązkę oświetlającą spolaryzowaną liniowo przez polaryzator za pomocą przesłony apertury, zaś światło odbite przez próbkę analizuje się przez analizator, przy czym ustala się względną orientację φ kierunku polaryzacji względem kierunku wiązki oświetlającej, i moduluje się natężenie światła odbitego przez względny obrót polaryzacji wiązki oświetlającej oraz analizatora, przy czym w etapie pomiaru ustala się orientację analizatora względem kierunku polaryzacji wiązki oświetlającej na wartość różną od π/2 modulo π, i moduluje się natężenie światła odbitego przez obrót przesłony wokół osi optycznej, po czym jednocześnie w każdym punkcie próbki mierzy się średni strumień odbity φ_Μ(χ,γ) oraz jego amplitudę modulacji φ_η(χ,γ), a następnie przetwarza się wyniki pomiarów φ_Μ(χ,γ) oraz φ_η(χ,γ) dla wyznaczenia na ich podstawie obydwu kątów elipsometrycznych ψ(χ^) i Δ(χ^) oraz modułów |r_p| i |r_s| współczynników odbicia na podstawie zależności:

Próbkę oświetla się przez wiązkę oświetlającą spolaryzowaną liniowo przez polaryzator za pośrednictwem przesłony apertury, zaś światło odbite przez próbkę analizuje się przez analizator, przy czym ustala się względną orientację φ kierunku polaryzacji względem kierunku wiązki oświetlającej i moduluje się natężenie światła odbitego przez względny obrót polaryzacji wiązki oświetlającej oraz analizatora, przy czym jako przesłonę apertury wiązki oświetlającej stosuje się dysk wycentrowany na osi tej wiązki, po czym jednocześnie w każdym punkcie otrzymanego obrazu próbki mierzy się średni strumień odbity φ_Μ(χ,γ) oraz amplitudę jego modulacji φ_η(χ,γ), a następnie przetwarza się wyniki pomiarów φ_Μ(χ,γ) oraz φ_η(χ,γ) dla wyznaczenia na ich podstawie, jednocześnie w każdym punkcie próbki, dwóch kombinacji efektywnych parametrów elipsometrycznych ψ^χ,γ) i Δ_θιτ(χ^) oraz efektywnego współczynnika odbicia Ir_{s θίί}|²(χ, y) na podstawie wzorów:

|k|²(^{1 + t}gV«r)=ii»« oraz

i dla wyznaczenia na ich podstawie kombinacji sin(2ψ)cosΔ pojedynczych efektywnych parametrów elipsometrycznych ψ_θίί(χ^) i Δθιγ(χ^) na podstawie wzoru:

PL 204 813 B1

φ przy czym efektywne parametry ψ_β<ϊ i A_eff są określone jako:

oraz cosA_e#

Μ

&

oraz

Według wynalazku możliwe jest jednoczesne obrazowanie obiektu i dokonywanie pomiaru jego grubości oraz współczynnika załamania pod mikroskopem.

W związku z tym, badany obiekt jest osadzany na specyficznym podłożu, a zespół badanego obiektu i podłoża tworzy zestaw podlegający dokładnemu badaniu, który nazywamy próbką. Podłoże jest tak zaprojektowane, iż badany obiekt, pomimo, iż jest bardzo cienki, wystarcza do zmodyfikowania współczynnika kształtu podłoża, prowadząc do zobrazowania obiektu.

Obecność obiektu wystarcza w tych warunkach do możliwej do pomiaru pod mikroskopem optycznym modyfikacji parametrów ψ i Δ podłoża, tak iż na podstawie zmierzonych parametrów ψ i Δ próbki, mogą zostać wyznaczone właściwości optyczne obiektu.

Tak więc podłoże jest tak zaprojektowane, że czułość parametrów ψ i Δ próbki dla małego zaburzenia jego parametrów konstrukcyjnych, jest bardzo duża dla małych kątów padania, a stąd bardzo odmiennych od kąta Brewstera, podczas gdy projektowane są sposoby obrazowania i pomiaru, takie iż promieniowa geometria mikroskopu staje się kompatybilna z obróbką tych parametrów elipsometrycznych.

W korzystnym przykładzie wykonania mikroskopu różniczkowo-interferencyjnego (DIC) (dzięki urządzeniu umieszczonemu w pobliżu tylnej płaszczyzny ogniskowej soczewki, na przykład urządzeniu Nomarskiego lub urządzeniu Smitha), promień oświetlający, spolaryzowany liniowo zgodnie z kątem azymutalnym φ = 0, rozdzielany jest przez urządzenie DIC na dwa liniowo spolaryzowane promienie zgodnie z kierunkami φ = 45° oraz φ = -45°, przesunięte poprzecznie względem siebie o niewielką wartość Δd, przy czym obydwie płaszczyzny falowe związane z obydwiema polaryzacjami podlegają odbiciu na próbce, zmianie fazy pod wpływem obecności lub braku jednorodności obiektu, zaś zmiany fazy przemieniane są po przejściu na zmiany barwy lub natężenia, po powrocie promienia odbitego do urządzenia DIC, a następnie w analizatorze połączonym z polaryzatorem. W tym trybie obserwacji kontrast obiektu jest optymalizowany dzięki dopasowaniu kompensatora obecnego w urządzeniu DIC. Dopasowanie to obejmuje wyłączenie interferencji między obydwoma promieniami odbitymi przez obszary próbki nie będące przedmiotem zainteresowana, a dopasowanie ich przesunięcia fazowego na urządzeniu, gdzie wytwarzają one interferencję, to jest na analizatorze, podczas gdy jakość tej ekstynkcji warunkuje jakość obrazowania.

Warunek matematyczny ekstynkcji jest taki sam jak poprzednio, to jest rp + rs = 0. Warunek mak22 symalnej czułości na grubość e ostatniej warstwy stosu w tym trybie obserwacji wynosi d²/de²[ln|rp+rs|]=0.

Proponowany sposób obrazowania jest więc optymalny dla wszystkich obserwacji pod mikroskopem pomiędzy połączonymi krzyżowo polaryzatorem a analizatorem, nawet gdy w mikroskopie obecne jest urządzenie DIC.

Sposób i urządzenie według wynalazku służą do obrazowania lub detekcji obiektów o wymiarach nanometrowych. W szczególności wizualizację wszystkich pojedynczych obiektów o kształcie drutu, to jest rozciągających się na odległość większą niż poprzeczna rozdzielczość mikroskopu, o długości większej niż mikrometr (polimery, mikrorurki, kolagen, bakterie, DNA, RNA, nanorurki węglowe, nanodruciki i tym podobne).

Sposób i urządzenie według wynalazku są kompatybilne i mogą być stosowane z dowolnym rodzajem optycznej mikroskopii skaningowej, z dowolną techniką optyczną w świetle niewidzialnym (UV

PL 204 813 B1 lub IR), z dowolną techniką spektroskopii, z dowolną optyczną techniką nieliniową, z dowolną techniką dyfuzyjną lub dyfrakcyjną oraz z wszystkimi ich kombinacjami. Są one w szczególności zgodne z techniką fluorescencyjną, techniką ramanowską, techniką mikroskopii współogniskowej, techniką mikroskopii dwu-protonowej oraz wszystkimi ich kombinacjami.

Szczególnie korzystna jest implementacja niniejszego wynalazku razem z mikroskopią fluorescencyjną. Polaryzacja światła emitowanego przez próbkę fluorescencyjną jest często inna niż polaryzacja promienia padającego. Dlatego też znacznik fluorescencyjny powoduje depolaryzację światła, na co urządzenie według wynalazku jest szczególnie czułe. Ponadto, współczynnik ekstynkcji własnego światła padającego urządzenia według wynalazku znacząco zmniejsza szum związany z sygnałem fluorescencyjnym.

Realizacja wynalazku razem z mikroskopią fluorescencyjną umożliwia rozpoznanie pośród identycznych obiektów fluorescencyjnych tych, które depolaryzują światło, co odpowiada bardzo charakterystycznemu środowisku molekuł.

Realizacja ta jest szczególnie przydatna do obserwacji powierzchni zanurzonych w ośrodku fluorescencyjnym. Jest ona także bardzo korzystna do odczytywania sygnału fluorescencyjnego biochipów, włączając w to obserwację kinetyki hybrydyzacji.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 i 2 przedstawiają parametry elipsometryczne światła p oraz s względem wektora propagacji k oraz parametry orientacji, kąt padania oraz azymut θ i φ promieni w systemie optycznym, fig. 3 - położenie próbki względem soczewki mikroskopu, fig. 4 - schemat mikroskopu polaryzacyjnego zaimplementowanego według wynalazku, fig. 5 - schemat zespołu optycznego według wynalazku do bezpośredniego pomiaru grubości, fig. 6A - matrycę multisensora, a fig. 6B - schematyczną reprezentację obrazowania multisensora.

Na fig. 1 i 2 przedstawiono parametry elipsometryczne światła p oraz s względem wektora propagacji k, gdzie p jest wektorem polaryzacji światła padającego na próbkę pod kątem θ, oraz parametry orientacji, kąt padania oraz azymut θ i φ promieni w układzie optycznym.

Poprzez „próbkę 1” należy rozumieć zespół oddziałujący na pomiar. Próbka 1 jest oddzielona od soczewki 2 przez ośrodek padania światła 3. Zawiera ona, poczynając od ośrodka padania światła 3, badany obiekt 4 (który winien zostać zobrazowany), stos warstw 5, którego najbardziej zewnętrzna warstwa 6 jest warstwą będącą w kontakcie z próbką 1, a także podstawę 7. Stos warstw 5 i podstawa 7 tworzą podłoże 8.

Na fig. 4A i 4B przedstawiono reprezentacje schematów mikroskopów możliwych do zastosowania wynalazku. Analogiczne elementy oznaczone zostały tymi samymi numerami referencyjnymi.

Próbka 1, przypuszczalnie płaska i izotropowa, umieszczona jest pod pracującym odbiciowo mikroskopem optycznym. Mikroskop zaopatrzony jest w soczewkę 10 oraz zespół oświetlający Kohlera, zawierający przynajmniej dwie soczewki 12 i 13 oraz przesłonę apertury 11, sprzężoną przez soczewkę 13 tylnej płaszczyzny ogniskowej soczewki 10, oznaczonej linią przerywaną na fig. 4A. Polaryzator P polaryzuje światło biegnące w kierunku próbki 1 poprzez półodbijającą płytkę 15. Kierunek polaryzatora jest stosowany jako odniesienie. Światło wysyłane przez obiekt podlega badaniu przez analizator A.

Figura 4B przedstawia schemat mikroskopu z kontrastem różniczkowo-interferencyjnym (DIC). Zawiera on element polaryzacyjny 16, który jest albo bipryzmatem Wollastona albo pryzmatem Nomarksi oraz kompensator.

Jak wiadomo, możliwe jest także zastąpienie polaryzacji liniowych przez polaryzacje kołowe.

Zamiast połączonych poprzecznie polaryzatorów i analizatorów, zastosowano półprzepuszczalne zwierciadło, pierwszy polaryzator, płytkę ćwierćfalową (λ/4), soczewkę, próbkę, następnie w charakterze sprzężenia zwrotnego, ponownie soczewkę płytkę λ/4, polaryzator wspomniany powyżej oraz półprzepuszczalne zwierciadło.

W przypadku mikroskopu z kontrastem różniczkowo-interferencyjnym (DIC) zastosowano zwierciadło półprzepuszczalne, polaryzator, element polaryzacyjny, płytkę λ/4, element polaryzacyjny, wspomniany wyżej polaryzator oraz zwierciadło półodbijające.

Kąt padania promienia wynosi θ. Mikroskop zaopatrzony jest w polaryzator liniowy oraz analizator usytuowane po każdej ze stron próbki na drodze światła. Oświetlenie jest episkopowe i monochromatyczne. Analizator obraca się i tworzy kąt φ z polaryzatorem. Mierzony jest znormalizowany odbity strumień Φ_Ν jako stosunek strumienia odbitego do strumienia odniesienia. Strumień odniesienia jest taki, jaki zostałby otrzymany na tym samym instrumencie wyregulowanym podobnie przy nieobecności

PL 204 813 B1 polaryzatora oraz analizatora z hipotetyczną, doskonale odbijającą próbką. Doskonale odbijająca próbka określona jest przez jej zespolone współczynniki Fresnela dla polaryzacji równoległej (p) i prostopadłej (s) jako rp = rs = 1. Dla dowolnego kąta φ:

(E1)

W szczególnym przypadku, gdy polaryzator i analizator są połączone poprzecznie (φ = π/2), wzór ten ulega zredukowaniu do postaci:

(E2)

Drugi składnik wzoru (E1) może być interpretowany bezpośrednio. Składa się z dwóch składników:

Pierwszy z nich, cos^(|r_p|²+|r_s|²) jest iloczynem współczynnika ekstynkcji oraz współczynnika odbicia natężenia, który oznaczony teraz będzie jako współczynnik odbicia. Taki współczynnik odbicia może być zakwalifikowany jako „niekoherentny średni współczynnik odbicia”, gdyż może być otrzymany poprzez zaniedbanie interferencji między rp i rs, to jest pomiędzy odbitymi składowymi równoległą i prostopadłą, a także poprzez uśrednienie wszystkich możliwych azymutów φ, to jest po wszystkich możliwych orientacjach płaszczyzny padania względem kierunku polaryzatora. Po zredukowaniu do pierwszego składnika, równanie E1 da współczynnik odbicia otrzymany poprzez odwrócenie porządku próbki i analizatora na drodze światła, gdyż powierzchnia ta stanowi tu tylko część elementu absorbującego. Ten pierwszy składnik znika całkowicie, gdy φ = π /2: pomiędzy połączonym poprzecznie polaryzatorem i analizatorem, a przy nieobecności elementów (de)polaryzacyjnych, nic nie przechodzi.

Drugi składnik równania (E1) opisuje interferencję między rp a rs. Będzie on nazywany „koherentnym współczynnikiem odbicia”. Przedstawia on depolaryzację promienia padającego na powierzchnię, która przemienia liniową polaryzację padania na polaryzację eliptyczną. Eliptyczność ta jest inna dla każdego azymutu, to jest dla każdej płaszczyzny padania określonej przez jej kąt φ z kierunkiem polaryzatora, przy czym ten drugi składnik opisuje średni współczynnik odbicia, który wynika z niego dla stożkowej geometrii promieniowania. Znika on dla φ=π/4, gdzie wkłady wszystkich azymutów odejmują się od siebie wzajemnie, a także dla rp=-rs. Zmniejsza to całkowity współczynnik odbicia między równoległymi polaryzatorem a analizatorem i zwiększa je, gdy są one połączone poprzecznie.

Technika obrazowania sposobem według wynalazku polega na przetwarzaniu bezpośrednio tego drugiego składnika. Wybieramy φ=π/2, zaś drugi składnik równania (E1) jest jedynym, który pozostaje. Ekstynkcja lub w bardziej opracowanej wersji, quasi-ekstynkcja niekoherentnego współczynnika odbicia jest jednym z fundamentów niniejszego wynalazku. To co nazywane jest „koherentnym współczynnikiem odbicia” może być także nazywane „elipsometrycznym współczynnikiem odbicia”, gdyż wynika z eliptyczności (funkcje azymutu φ) odbitej polaryzacji.

Wyrażeniem równoważnym do (E1) jest:

Wyrażenie to umożliwia porównanie sygnału otrzymanego w obecności elementów polaryzacyjnych z sygnałem otrzymanym przy nieobecności elementów polaryzacyjnych, to jest w świetle niespolaryzowanym, co dane jest tylko przez pierwszy wyraz. Należy zauważyć, że:

<!>,(««)-, <) (E4)

W obecności polaryzatorów wciąż możliwe jest zbadanie doświadczalne takiej wielkości poprzez narzucenie φ=π/4, jak pokazano na przykładzie równania E3.

W celu zobrazowania krawędzi badanego obiektu 4 w postaci cienkiej folii umieszczonej na powierzchni stosu warstw 5, odbierane natężenia przetwarzane są poprzez obserwację folii oraz gołej powierzchni, które oznaczono jako IF oraz IS. Są one proporcjonalne do odpowiednich znormalizowanych strumieni.

PL 204 813 B1

Kontrast krawędzi folii wynosi:

_{c = =1}_ 2_ ^F⁺^S i+ ^(E5)

W celu prawidł owego zobrazowania folii, wartość C winna zostać zoptymalizowana i dlatego stosunek IF/IS winien być zmaksymalizowany (IF > 0 w celu tendencji do kontrastu o wartości 1) lub zminimalizowany (IS > 0 w celu tendencji do kontrastu o wartości -1). Konieczne jest więc rozróżnienie powierzchni albo folii. Tak więc czuły proces polega z jednej strony na prawidłowej ekstynkcji a z drugiej strony na ekstynkcji selektywnej.

Nasza technika łączy dwa czynniki ekstynkcji:

i) polaryzator i analizator, które są połączone poprzecznie lub prawie poprzecznie, ii) podłoże antyodbiciowe dla tego trybu obserwacji.

Równanie (E3) podkreśla podwójną naturę takiej ekstynkcji: połączone poprzecznie polaryzator i analizator wygaszają pierwszy wyraz drugiego elementu, nasze podł o ż e antyodbiciowe wygasza drugi. Może ono być zatem zdefiniowana jako podłoże antyodbiciowe przeznaczone dla koherentnego współczynnika odbicia. Jest to drugi fundament techniki obrazowania według wynalazku.

Ale dobra ekstynkcja nie wystarcza do czułego obrazowania. IF lub IS winny zostać wygaszone, ale nie obydwa jednocześnie. Ze względu na to, że obrazowana folia jest bardzo cienka, a przez to wszystkie jej parametry fizyczne prawie nie zaburzają parametrów gołej powierzchni, zatem ekstynkcja musi być krytyczna. Innymi słowy, ekstynkcja musi być utracona dla bardzo małej modyfikacji powierzchni. Ten krytyczny element antyodbiciowej jakości podłoża stanowi trzeci fundament naszej techniki obrazowania.

Wydolność procesu obrazowania może być oceniona ilościowo poprzez kontrast uzyskany, gdy obserwowana folia staje się ekstremalnie cienka. W takim przypadku IF oraz IS przyjmują sąsiednie wartości, a dI=IF-IS staje się bliskie wartości elementu różniczkowego.

C moż na zapisać wtedy jako _c= i dl _ i I 2 4'2 I_s dl de

Ae gdzie Δe jest grubością folii, którą można założyć, gdy współczynnik załamania jest identyczny jak dla górnej warstwy i gdzie dl/de jest pochodną natężenia odbitego przez gołe podłoże w stosunku do grubości e ostatniej warstwy stosu. W przypadku, gdy podłoże jest zbudowane ze stałej podstawy pokrytej jedną warstwą dielektryczną, e jest grubością tej warstwy. Przyjęcie identycznej wartości współczynnika dla folii i dla ostatniej warstwy dielektrycznej nie jest obowiązkowe, ale upraszcza wyjaśnienia i pokazuje, że proces nie wykorzystuje odbicia pomiędzy folią a podłożem. Folia jest z tego względu traktowana tutaj jako zwykła fluktuacja grubości skrajnie zewnętrznej warstwy.

Czułość naszej techniki wyrażona jest w nanometrach^-1 jako stosunek C do Δe:

C 1 i/ln/ ć/lnjr +rl

Ae 2 de de (E7)

Wyrażenie na rp i rs dla ciała stałego pokrytego jedną warstwą jest typowe (por. przykładowo Azzam):

_r = ^0|(*)^{r r}i2W^g _ ^W 1 + r r e~^2jp>

(E8) gdzie k oznacza albo s albo p, zgodnie z rozważaną polaryzacją, zaś β₁=2π(N₁e/λ)cosθ₁, gdzie indeks 1 odnosi się do warstwy, indeks 2 do podstawy a indeks 0 do ośrodka padania.

Równanie to pozwala zapisać:

^σοι+^ΐ2 (1 + ΓΊΟ1>~^27Ά +σ0, Π,₂5 ^{+ r}oi(/» · ^<X^2j7T!l +^_1(υ · r_i2Me^ (E9) gdzie Ojj oraz Π^ oznaczają odpowiednio sumę i iloczyn Γ_υ(ρ) i j).

PL 204 813 B1

Suma σ jest periodyczną funkcją grubości optycznej N1e o okresie λ/2. Jej moduł |σ| przejawia generalnie dwa minima i dwa maksima na okres. To samo dotyczy funkcji ln|o|. Funkcja |σ| jest ponadto funkcją wykreślną, pozostaje ona bardzo regularna, a jej pochodna względem e nie osiąga nigdy znacznych wartości. Przeciwnie, funkcja ln^| rozbiega się, gdy |σ| zmierza do zera, a czułość dana przez równanie E7 staje się bardzo duża w wartościach bezwzględnych po każdej stronie minimum, gdy ekstynkcja jest całkowita. Kontrast jest zawsze ujemny po lewej stronie minimum i dodatni po prawej stronie. W konsekwencji, warunek uzyskania minimum określony będzie jako „warunek odwrócenia kontrastu”.

Podsumowując, gwałtowne odwrócenia kontrastu odpowiadają minimum funkcji |rp+rs| względem e, zaś gdy minimum |rp+rs| dąży do θ, wówczas otrzymywane są bardzo gwałtowne zmiany kontrastu.

Równanie (E3) podkreśla znaczenie zastosowania mikroskopu fluorescencyjnego. W obecności sygnału fluorescencji, zdepolaryzowana składowa tej fluorescencji dodawana jest do prawostronnego elementu równania (E3) bez zmiany ekstynkcji dwóch pozostałych wyrazów. Stosunek sygnał/szum ulega dzięki temu zwiększeniu. Jest to także możliwe do przeniesienia na sygnał ramanowski.

Wynalazek dotyczy także sposobu pomiaru elipsometrycznego, który może także działać bez potrzeby stosowania szczególnego podłoża.

Kąty elipsometryczne ψ i Δ są zdefiniowane następująco:

r (E10)

Dwa równania wybrane arbitralnie spośród poniższych czterech wystarczają do określenia przydatnych związków pomiędzy współczynnikami odbicia a parametrami elipsometrycznymi:

V_P\ +=K'i²(i+tg² ψ)

Eli \r_p ^+rJ² =k|²(l + tg^ + 2tgTcosA) \^rP ⁼'K ²(^{1 + t}S² Ψ-2^ΨοοβΔ)

E12

E13

E14 ^rp^r3 + ^rp^r: = ²k,'² tgTcOSA

Pierwsze z tych równań pokazuje, że parametr elipsometryczny ψ jest dostępny poprzez pomiar niekoherentnego współczynnika odbicia. Każde z trzech pozostałych pokazuje, że wyznaczenie drugiego parametru elipsometrycznego, Δ, wymaga ponadto pomiaru koherentnego współczynnika odbicia (lub też kombinacji tych dwóch współczynników odbicia). Dostęp do sygnału koherentnego współczynnika odbicia umożliwia wyznaczenie ψ oraz Δ.

Pomiar następuje w dwóch etapach:

i) Pierwszy etap oparty jest na obrocie analizatora. Obraz próbki analizowany jest przez kamerę CCD lub dowolny inny detektor dwuwymiarowy. Równanie E3 pokazuje, że sygnał odbity oscyluje sinusoidalnie wokół niekoherentnego współczynnika odbicia z amplitudą |rp-rs|² i okresem π kąta φ. Rozmaite procedury, wymagające przynajmniej dwóch pomiarów, umożliwiają otrzymanie dwóch kombinacji trzech parametrów |rs|², tgy i cosń, na przykład |rs|² · (1 + tgy) i 2|r_s|² · tgy · cosń. Umożliwia to wyznaczenie kombinacji sin2y cosń jednego parametru elipsometrycznego, ale nie wystarcza do wyznaczenia oddzielnie Δ i ψ.

ii) Drugi etap wymaga złamania symetrii promieniowej naświetlania, co można wykonać na dwa sposoby:

albo poprzez fizyczną modyfikację geometrii przesłony apertury, która musi stać się szczeliną lub krzyżem składającym się z dwóch prostopadłych szczelin lub wycinkiem koła δφ (modulo π) z aperturą znacznie mniejszą niż π/4, którego wierzchołek jest połączony z osią optyczną lub też zespół

PL 204 813 B1 dwóch lub czterech identycznych wycinków koła, rozstawionych regularnie wokół osi optycznej mikroskopu, zdolnych jak i analizator do obrotu wokół osi optycznej mikroskopu, albo poprzez analizę rozkładu natężenia obecnego w sprzężonej płaszczyźnie przesłony apertury położonej na drodze światła odbitego, przy czym mikroskop pracuje z oświetleniem Koehlera. Mikroskop wyposażony jest w kamerę CCD, służącą do odbioru obrazu próbki, przy czym analiza ta może być dokonana bardzo prosto poprzez umieszczenie soczewki Bertranda pomiędzy soczewką a ź renicą kamery. Dlatego też jest to pomiar konoskopowy. Zaletą tego rozwiązania, łatwego do implementacji, jest to, że kąt padania θ i azymut φ są, w płaszczyźnie sprzężonej, dwoma parametrami, które mogą być rozdzielone geograficznie, a także to, że możliwy jest wtedy dostęp do całej funkcji

Φ^θ,φ,λ,), gdzie λ, oznacza długość fali świecącego promienia. Zakres utrzymywanych kątów apertury może być regulowany, azymut badany lub też iluminacja może być filtrowana przy zastosowaniu środków cyfrowych. Rozwiązanie to umożliwia także, przy braku soczewki Bertranda, przeprowadzenie pierwszego etapu analizy jednocześnie w kilku obszarach niejednorodnej próbki, a stąd wyznaczenie wielkości (sin2ψcosΔ) (x,y) poprzez pomiar równoległy. Dla pełnej analizy z soczewką Bertranda konieczne jest jednakże wybranie jednorodnego obszaru próbki poprzez użycie przesłony polowej lub o geometrii współogniskowej. Dlatego też, rozwiązanie to nie umożliwia zakończenia równoległej analizy różnych punktów próbki. Pierwsze rozwiązanie, dla kontrastu (przesłona ze złamaną symetrią promieniową), umożliwia całą analizę równoległą, gdyż obraz próbki jest zawsze zachowywany na kamerze CCD.

Natężenie I fali odbitej, gdy bardzo mały wycinek koła δφ wybiera szczególny azymut φ na stożku oświetlenia, dany przez równoważnik równań E1 do E4 wynosi obecnie:

Mówiąc ogólnie, natężenie to jest okresową funkcją φ o okresie π i zawiera także wyrazy o okresie π/2.

Jeżeli względna orientacja analizatora i polaryzatora jest ustalona oraz:

- jeśli szczelina jest poruszana jednorodnym ruchem obrotowym wokół osi optycznej z częstością ω, to natężenie odbite przez każdy punkt próbki jest modulowane a modulacja ta umożliwia dokonanie ekstrakcji różnych wymaganych kombinacji wielkości |rs|, ψ oraz Δ. W celu wykonania tego, zastosowanych może zostać kilka technik, w szczególności techniki fotometryczne przetwarzające średnie czasowe natężenia oraz ekstremalne amplitudy lub też techniki z detekcją synchroniczną umożliwiające porównanie amplitud i faz składowych natężenia odbitego pod katem 2ω oraz 4ω;

- jeśli orientacja szczeliny jest regulowana manualnie, to odbierane natężenia mogą być mierzone dla kilku orientacji szczeliny, przynajmniej dwóch, w celu wyznaczenia na podstawie powyższego ogólnego wzoru wartości różnych kombinacji parametrów |rs|, ψ oraz Δ, co umożliwia całkowite wyznaczenie wartości tych parametrów;

- jeśli analizator jest poruszany jednorodnym ruchem obrotowym wokół osi optycznej, to sygnał I jest modulowany z okresem π (po φ) a pomiar I dla różnych wartości φ staje się bardziej dokładny;

- jeśli, ostatecznie, zarówno analizator jak i szczelina są poruszane z jednorodnym obrotem z różnymi częstotliwościami, to funkcja Κφ,ψ) może być odtworzona całkowicie a parametry |r_s|, ψ oraz Δ mogą być wyznaczone z bardzo dużą dokładnością przez konwencjonalną trzyparametrową numeryczną procedurę dopasowującą.

W najprostszym szczególnym przypadku, gdy kąt φ jest ustalony i kiedy pomiar I jest wykonywany dla obydwu orientacji φ = 0 (modulo π) oraz φ = π/2 (modulo π) szczeliny, można odpowiednio otrzymać co następuje:

|2

¢^(0,^ = 0)=.7^ cos²^ oraz

Φ_Ύ (θ, φ, φ = π / 2) = | |ζ |² cos² φ

PL 204 813 B1

Dlatego też wystarcza wzięcie pierwiastka stosunku obydwu tych natężeń w celu otrzymania wielkości tgy. Pomiar ten połączony z dwoma poprzednimi umożliwia całkowite wyznaczenie |r_s|², ψ i Δ, a stąd takż e |rp|².

Należy zauważyć, że wyznaczenie pojedynczych parametrów ψ oraz Δ może być uzyskane przy zastosowaniu wyłącznie stosunków z mierzonymi natężeniami, a w konsekwencji nie wymaga stosowania żadnych podłoży odniesienia.

Interesującym przypadkiem szczególnym jest sytuacja, gdy Φ=0, co odpowiada równoległej konfiguracji polaryzatora i analizatora oraz co może być wyznaczone na podstawie pojedynczego polaryzatora umieszczonego pomiędzy zwierciadłem oświetlającym a soczewką lub nawet pomiędzy soczewką a próbką. Odbite natężenie może zostać w tym przypadku zapisane następująco:

Pokazuje to, iż w przypadku obracającej się przesłony zbudowanej ze szczeliny, z krzyża składającego się z dwóch prostopadłych szczelin, krzyżujących się z sobą na swych osiach, z wycinka koła, którego wierzchołek leży na osi optycznej mikroskopu i którego amplituda azymutalna jest mniejsza niż 45° lub z zespołu dwóch lub czterech wycinków koła tego samego rodzaju, rozmieszczonych regularnie wokół osi optycznej, która to przesłona jest nałożona na pierścień w celu wytyczenia jednego kąta padania, wystarcza przeprowadzenie trzech pomiarów natężenia odbitego z trzema różnymi i nie nadmiarowymi orientacjami przesłony w celu wyznaczenia na tej podstawie zestawu parametrów elipsometrycznych próbki. Przykładowo, w przypadku, gdy przesłona jest szczeliną lub bardzo małym wycinkiem koła określonym przez jej orientację φ, natężenie odbite w każdym punkcie obrazu próbki przybiera postać:

= Ι(φ = 0) = 4²H²=4²W²(l + tg>) dla <0 = o /₂ _/(ę?- di_a φ _{= π}/2

Iy=Ity = ^ = 2Ąr_s ² tgy/cos dla φ = π/4

Wystarcza obliczenie stosunku I₁/I₂ w celu wyznaczenia z niego wartości Ιρψ, następnie stosunku I₃/I₂ w celu wyznaczenia z niego wartości cosΔ.

Ten przykład ilustruje:

- w jaki sposób pomiar trzech natężeń z trzema różnymi orientacjami szczeliny umożliwia wyznaczenie zestawu parametrów elipsometrycznych poprzez zastosowanie wyłącznie stosunków natężeń, a więc bez dodatkowej kalibracji;

- w jaki sposób modulacja natężenia odbitego, która zawiera te trzy pomiary, ale także inne, umożliwia otrzymanie takiej samej informacji z większą dokładnością,

- w jaki sposób zrealizowany może zostać elipsometr pod mikroskopem optycznym lub mikroskopem dwuokularowym poprzez użycie jednego polaryzatora i obrotowej szczeliny.

Przy wyjaśnieniu procesu pomiaru, zastosowane zostały równania ważne dla jednego kąta padania θ. Ze względu na to, że |rs|², ψ oraz Δ zależą od θ, rozważa się następujące opcje: albo dostęp do tych wielkości dla jednego kąta θ przy zastosowaniu pierścieniowej przesłony apertury albo dostęp do wielkości uśrednionych w zakresie kątów padania [0_min, 0_max] z 0_min = 0 najczęściej.

PL 204 813 B1

Te same wzory stosują się do wielkości efektywnych, oznaczonych poniżej przez wskaźnik „eff” zdefiniowanych na podstawie średnich względem θ. Koniecznie trzeba zatem stwierdzić, iż:

aby zapisać odbite natężenie jako:

Pomiar I umożliwia wyznaczenie wielkości efektywnych, a w szczególności kątów elipsometrycznych ψθη i A_eff, które mogą być porównane z wartościami obliczonymi w celu wyznaczenia na ich podstawie własności obiektu lub próbki, jak czyni się to konwencjonalnie z pojedynczymi elipsometrycznymi kątami padania.

Zaleta tego sposobu polega na przeprowadzeniu pomiarów elipsometrycznych pod mikroskopem w celu połączenia pomiaru elipsometrycznego i obrazowania. Należy więc uważać, iż naturalną geometrią iluminacji jest stożek światła wokół linii prostopadłej. Parametry elipsometryczne prawie nie zmieniają się dla małych kątów padania. Wyjaśnia to, dlaczego elipsometria jest techniką czułą tylko dla dużych kątów padania. Odpowiednikiem w naszym sposobie jest to, że średnia wykonana na stożku oświetlenia tylko nieznacznie zaburza wykorzystywany sygnał. Przy braku zoptymalizowanego podłoża wadą pomiaru elipsometrycznego pod mikroskopem jest to, że czułość jest słaba. Ale przy obecności zoptymalizowanego podłoża, tak jak się to proponuje, czułość pomiaru parametrów fizycznych próbki staje się ponownie doskonała, porównywalna w rzeczy samej z konwencjonalnymi pomiarami wokół kata Brewstera, zaś wykorzystywany sygnał pozostaje mało czuły na kąt padania. Można to wyjaśnić tym, że pomiędzy połączonymi poprzecznie polaryzatorem i analizatorem, ekstynkcja koherentnego współczynnika odbicia jest wciąż całkowita dla normalnego padania, w takim stopniu, że tylko niezerowe współczynniki załamania przyczyniają się do budowy wykorzystywanego sygnału. W przypadku warunków dobrej ekstynkcji dla niezerowych współczynników załamania, ekstynkcja jest dobra na zbiorze współczynników załamania stożka oświetlenia.

Możliwe jest zoptymalizowanie grubości ostatniej warstwy dla każdego materiału.

Wykazano, iż funkcja |σ(β)| = |r_p + r_s| wciąż ma mniej lub bardziej zaznaczone minima, które odpowiadają warunkom odwrócenia kontrastu. Dlatego też dla tych szczególnych wartości e kontrast wynosi zero. Będąc jednocześnie okresową i ciągłą, osiąga ona minimum po lewej stronie tych wartości oraz maksimum po prawej stronie. Wciąż jest więc możliwe wybranie takiej grubości e, że osiągnięte zostaje jedno z tych ekstremów. Niezależnie od natury podłoża, grubość warstwy dielektrycznej może zostać zoptymalizowana poprzez obliczenie |σ(β)|. Staje się to szczególnie interesujące przy zbliżaniu się do warunków krytycznych.

Krytyczne kompozycje podłoży określone są przez obecność rozwiązania równania |σ(β)| = 0. Krytyczne podłoże ma grubość warstwy bliską rozwiązaniu tego równania. Rozwiązanie równania

PL 204 813 B1

^(e)| = 0 odpowiada koniecznie minimum funkcji ^(e)|. Jest to zatem grubość odwrócenia kontrastu. Najmniejsza z tych wartości, ec, pełni oczywiście szczególną rolę. Pozostałe grubości odwrócenia kontrastu są dane przez e_c,k = e_c + KN-|V2.

Zgodnie z równaniem E9, omawiane równanie wynosi:

^σοι + <?'2 (1 + n01 y^2Jfi' + σ01 n_i2 =0 _(E15)

W przypadku stosu zredukowanego do jednej warstwy, wartości ec grubości e są rozwiązaniami równania E15 otrzymanego z równania E9:

(E16)

Posiada ono dwa zespolone rozwiązania z1 i z2, które są funkcjami współczynników załamania ośrodka padania, warstwy, zespolonego współczynnika załamania podłoża oraz kąta padania θ0 (lub równoważnie, kąta załamanego w warstwie, θ1). Warunki krytyczne osiągane są, gdy moduł jednego z obydwu tych rozwiązań równy jest 1. Problem ten jest raczej prosty do rozwiązania numerycznego. Analitycznie możliwe jest rozwinięcie każdego z wyrazów do 4-go rzędu względem kąta θ1, gdyż każdy z nich zależy tylko niewiele od kąta bliskiego kątowi prostemu. Następnie znalezione mogą zostać rozwiązania z rozwinięcia w szereg Taylora. W praktyce narzucane są często obydwa ekstremalne ośrodki, a wyznaczone muszą zostać współczynnik załamania oraz grubość warstwy. Następnie wykreślany jest kontrast względem grubości dla kilku przypadkowych wartości współczynnika załamania i obserwowane mogą być monotoniczne zmiany kontrastu. Wystarcza to do postępowania w danym kierunku, póki sytuacja ulega poprawie, aż do spadku jakości. Poszukiwania są wznawiane wokół najlepszej wartości, optymalizując zmiany współczynnika załamania. Wykorzystane mogą zostać także liczne wyniki dla jednej warstwy pod względem wartości ψ i Δ. Wymagane sytuacje odpowiadają jednocześnie:

tgψ = 1 oraz Δ = π (E17)

Rozwiązania znalezione numerycznie są dość dobrze przybliżane przez następujące wyrażenie empiryczne:

(E18)

Szczególnie interesujące wyniki otrzymuje się poprzez realizację podłoża krzemowego pokrytego jedną warstwą spełniającą następujące parametry, przy czym promieniowanie jest korzystnie monochromatyczne i o długości fali λ = 540 nm, zaś kąt apertury stożka oświetlenia przyjęto jako 30°:

N0	N3	N2	e
1,00 (powietrze)	3,88 - 0,02i	1,343	106 ± 0,5 nm
1,34 (woda)	3,88 - 0,02i	1,749	81,4 ± 0,5 nm
1,50 (olej)	3,88 - 0,02i	1,945	75 ± 1 nm

gdzie N0 jest współczynnikiem załamania ośrodka, N3 współczynnikiem załamania podstawy podłoża, N2 współczynnikiem załamania warstwy, zaś e jej grubością.

Optymalna grubość e jest liniową funkcją λ, ale nie może być proporcjonalna do λ. Dla obserwacji w powietrzu de/d/. = 0,2.

Warstwy o współczynnikach załamania 1,74 i 1,945 mogą być wytworzone przy zastosowaniu licznych sposobów, takich jak osadzanie PECVD. Warstwy o współczynniku załamania 1,345 są trudniejsze do wykonania. Mogą być one wytworzone z hydrożelu, aerożelu, polimeru lub też mogą być niejednorodne, na przykład wykonane z bloczków o stałej grubości i bardzo małych wymiarach. Może także być zastosowany roztwór w wodzie, cukrze, soli, polimerze.

PL 204 813 B1

Szczególnie interesująca metoda obrazowania grubości optycznej (N1 x e1) bardzo cienkiej folii może być zrealizowana na podłożu stosowanym w zespole według wynalazku, zgodnie z tym, co przedstawiono na fig. 5.

Na podłożu 20 osadza się ukośną warstwę 21 o zmiennej grubości w postaci klina (fig. 5A, fig. 5B).

Następnie takie podłoże 20 jest przecinane równolegle do kierunku X na dwa identyczne elementy 22, 23 (nie przedstawiony element 23 jest identyczny z elementem 22) (fig. 5C).

Następnie jeden z tych elementów jest pokrywany badaną cienką folią 24 (fig. 5C).

Obydwa te elementy, napromieniowane białym światłem przy użyciu soczewki o kształcie dysku, są następnie obserwowane pod mikroskopem, po umieszczeniu obydwu tych elementów względem siebie w ich początkowym położeniu względnym, przy wykorzystaniu znacznika, wycięcia lub klina 25.

Następnie obserwowane są prążki 26, 27 światła białego, odpowiednio na każdym z tych elementów, a ich wzajemne przesunięcie Δλ umożliwia pomiar właściwości warstwy osadzonej na jednym z elementów.

Wynalazek jest szczególnie przydatny do obrazowania elementów zawartych w multisensorach.

Chemiczny lub biologiczny (biochip) multisensor składa się z podłoża 30, na którym osadzone są płytki (bloczki) 31, każdy wykonany z innej warstwy i zdolny do wychwytywania selektywnie innej cząstki rozpoznawanej w mieszaninie ciekłej (biochip) lub gazowej (sztuczny nos) i tworzący matrycę elementów rozmieszczonych na powierzchni. Każdy bloczek ma pole powierzchni kilku mikrometrów kwadratowych, a grubość często rzędu wielkości molekularnych.

Multisensor kontaktowany jest z mieszaniną, która winna zostać poddana analizie. Każdy bloczek 31, 32, wychwytuje cząstkę, którą może rozpoznać, gdy obecna jest w mieszaninie. Jeszcze na miejscu lub po wypłukaniu, zadanie polega na odkryciu, które bloczki 32 uległy zapełnieniu, a które bloczki 31 pozostały puste, tak aby poznać skład mieszaniny. Nieruchoma cząstka powoduje wzrost grubości, który może zostać zobrazowany na bloczku. Położenie bloczków 31, 32 w matrycy mówi o naturze rozpoznawanych cząstek. Etap ten jest etapem odczytywania multisensora.

Nasza metoda mikroskopii jest wystarczająco czuła do pokazania różnicy między pustym bloczkiem a tym samym bloczkiem, gdy jest on zapełniony, w wielu rodzajach multisensorów. Daje ona zatem prosty sposób odczytywania, bezpośredni i równoległy dla wszystkich multisensorów.

W korzystnym przykł adzie wykonania opisano zastosowanie w szczególnym rodzaju multisensora: biochipach. Obejmują one na przykład chipy DNA, chipy antyciał, chipy bakterii, chipy chromosomów, chipy białek i tym podobne.

W przypadku chipów DNA, każdy bloczek składa się z warstwy molekularnej z identycznymi oligonukleotydami zdolnymi do hybrydyzacji z i tylko ze swoim komplementarnym łańcuchem. Analizowane DNA jest cięte na łańcuch o odpowiedniej długości, wzmacniany przy zastosowaniu techniki PCR, co oznacza, że każdy łańcuch jest replikowany wielokrotnie, a następnie zawracany do roztworu w styczności z chipem. Rozpoznane łańcuchy są chwytane przez odpowiednie bloczki.

Nasz sposób umożliwia rozpoznanie zapełnionych bloczków. Te bloczki, których grubość jest regularna i znana, traktowane są jako elementy wielowarstwowej konstrukcji, tak iż zespół zbudowany z podstawy + wielokrotnej warstwy + płytki lub bloczka, tworzy podłoże zoptymalizowane pod ką tem bardzo dużej czułości. W tych warunkach obecność dodatkowych łańcuchów po hybrydyzacji jest łatwo wykrywana za pośrednictwem obciążenia natężenia lub barwy, implikowanego w obserwacji bloczków sposobem według wynalazku. Przy użyciu sposobu pomiaru według wynalazku może także być oszacowana ilość materiału obecnego na bloczku.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Zespół optyczny do elipsometrycznego, dwuwymiarowego obrazowania obiektu umieszczonego w ośrodku padania światła, zawierający źródło światła spójnego, kierujące światło spójne na obiekt, oraz podłoże, umieszczone na torze światła spójnego, przeznaczone do podpierania obiektu dla utworzenia próbki przeznaczonej do obserwowania, która to próbka jest umieszczona pomiędzy analizatorem i polaryzatorem, znamienny tym, że podłoże (8) jest w postaci podstawy (7) umieszczonej pod stosem warstw (5), przy czym własności elipsometryczne podłoża (8) i grubość e stosu warstw (5) będącego w styczności z obiektem (4) są tak dobrane, że przy danym kącie padania θ światła spójnego, zespolone współczynniki odbicia rp i rs podłoża (8) spełniają warunek d²/de²[Ln|rp+rs|] = 0, przez co zmiany parametrów elipsometrycznych próbki (1) w wyniku obecności obiektu (4) są obrazowane

PL 204 813 B1 z kontrastem większym niż kontrast wytworzony przy obserwowaniu samego obiektu (4) bez podłoża (8), oświetlonego i obserwowanego poprzez odbicie w świetle spójnym pomiędzy krzyżowym analizatorem (A) i polaryzatorem (P).
2. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że źródło światła spójnego zawiera dodatkowo soczewkę o szerokiej aperturze, taką jak obiektyw mikroskopu.
3. Zespół według zastrz. 2, znamienny tym, że mikroskop jest mikroskopem z kontrastem różniczkowo-interferencyjnym.
4. Zespół według zastrz. 2, znamienny tym, że mikroskop jest mikroskopem fluorescencyjnym.
5. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że własności optyczne podłoża (8) są tak dobrane, aby zminimalizować wartość wielkości |rp+rs| na zbiorze wartości e.
6. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że źródło światła spójnego zawiera źródło światła polichromatycznego.
7. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że źródło światła spójnego zawiera źródło światła monochromatycznego.
8. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że podstawa (7) wykonana jest z krzemu.
9. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że stos warstw (5) zawiera pojedynczą warstwę.
10. Zespół według zastrz. 9, znamienny tym, że pojedyncza warstwa jest warstwą krzemionki.
11. Zespół według zastrz. 9, znamienny tym, że warstwa krzemionki ma grubość rzędu 102,5 nm, zaś ośrodkiem padania światła (3) jest powietrze.
12. Zespół według zastrz. 9, znamienny tym, że pojedyncza warstwa jest warstwą fluorku magnezu.
13. Zespół według zastrz. 9, znamienny tym, że pojedyncza warstwa jest warstwą polimerową.
14. Zespół według zastrz. 9, znamienny tym, że pojedyncza warstwa jest warstwą polimerową o współczynniku refrakcji zasadniczo równym 1,343, zaś ośrodkiem padania światła (3) jest powietrze.
15. Zespół według zastrz. 9, znamienny tym, że pojedyncza warstwa jest warstwą mineralną o współczynniku refrakcji zasadniczo równym 1,74, zaś ośrodkiem padania światła (3) jest woda.
16. Zespół według zastrz. 9, znamienny tym, że pojedyncza warstwa jest warstwą mineralną o współczynniku refrakcji zasadniczo równym 1,945, zaś ośrodkiem padania światła (3) jest olej o współczynniku refrakcji 1,5.
17. Zespół według zastrz. 9, znamienny tym, że pojedyncza warstwa jest nieciągła i jest zbudowana z bloczków krzemionki o współczynniku refrakcji 1,343 i o tej samej wysokości, która określa grubość warstwy, i mających wymiary przekroju znacznie mniejsze niż jeden mikrometr, zaś ośrodkiem padania światła (3) jest powietrze.
18. Zespół według zastrz. 9, znamienny tym, że pojedyncza warstwa jest mineralną lub organiczną warstwą mezoporowatą lub nanoporowatą o współczynniku refrakcji równym zasadniczo 1,343, zaś ośrodkiem padania światła (3) jest powietrze.
19. Zespół według zastrz. 9, znamienny tym, że pojedyncza warstwa jest warstwą mineralnego aerożelu o współczynniku refrakcji równym zasadniczo 1,343, zaś ośrodkiem padania światła (3) jest powietrze.
20. Zespół według zastrz. 2, znamienny tym, że mikroskop zawiera przesłonę apertury w postaci podłużnej szczeliny regulowanej wokół osi mikroskopu, ograniczającej stożek oświetlenia próbki (1) do pojedynczej płaszczyzny padania światła w wybranym kierunku.
21. Zespół według zastrz. 2, znamienny tym, że mikroskop zawiera przesłonę apertury w postaci pierścienia, ograniczającego stożek oświetlenia próbki (1) wokół kąta padania.
22. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że obiektem jest cienka folia a stos warstw zawiera ukośną warstwę (21), której grubość zmienia się monofonicznie w kierunku X wzdłuż powierzchni.
23. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że podłoże (8) stanowi dno pudła Petriego.
24. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że próbka (1) jest matrycą multisensora.
25. Zespół według zastrz. 24, znamienny tym, że każdy bloczek (31, 32) lub płytka matrycy multisensora stanowi ostatnią warstwę stosu warstw.
26. Zespół według zastrz. 24, znamienny tym, że multisensor jest chipem bakteryjnym, wirusowym, antygenowym, białkowym, DNA, RNA lub chromosomowym.
27. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że próbka (1), oświetlana światłem spójnym i obserwowana poprzez odbicie, znajduje się pomiędzy analizatorem (A) i krzyżowym polaryzatorem (P).
28. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera mikroskop polaryzujący z poprzecznym rozkładem przestrzennym, który to mikroskop zawiera obiektyw, półprzezroczyste zwierciadło i przesłonę apertury w postaci szczeliny wycentrowanej na osi mikroskopu, obracającej się

PL 204 813 B1 w pł aszczyźnie przesłony apertury, i ewentualnie nałożonej na przesłonę pierścieniową, a ponadto zawiera pojedynczy polaryzator (P) umieszczony pomiędzy półprzezroczystym zwierciadłem a próbką (1) po każdej stronie obiektywu.
29. Zespół według zastrz. 28, znamienny tym, że mikroskop zawiera również okular, zaś obraz tylnej płaszczyzny ogniskowej obiektywu tworzony jest w płaszczyźnie ogniskowej okularu przez soczewkę Bertranda, przy czym w płaszczyźnie tej jest umieszczona kamera CCD.
30. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera mikroskop, wyposażony w okular, obiektyw, półprzezroczyste zwierciadło i przesłonę apertury, zaś polaryzator (P) oraz analizator (A), pomiędzy którymi jest umieszczona i obserwowana próbka (1), mają ustaloną wzajemną orientację, przy czym przesłona apertury jest w postaci otworu lub pierścienia, zaś obraz tylnej płaszczyzny ogniskowej obiektywu tworzony jest w płaszczyźnie ogniskowej okularu przez soczewkę Bertranda, w której to pł aszczyź nie jest umieszczona kamera CCD.
31. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera mikroskop, wyposażony w okular, obiektyw, półprzezroczyste zwierciadło i przesłonę apertury w postaci otworu lub pierścienia, zaś obraz tylnej płaszczyzny ogniskowej obiektywu tworzony jest w płaszczyźnie ogniskowej okularu przez soczewkę Bertranda, w której to płaszczyźnie jest umieszczona kamera CCD.
32. Zespół według zastrz. 30, znamienny tym, że kamera jest kolorową kamerą tri-CCD.
33. Sposób elipsometrycznego, dwuwymiarowego obrazowania obiektu umieszczonego w ośrodku padania światła, zawierającym źródło światła spójnego na którego torze znajduje się podłoże podpierające obiekt, tworząc razem przeznaczoną do obserwowania próbkę umieszczoną pomiędzy analizatorem i polaryzatorem, znamienny tym, że jako obiekt (4) stosuje się cienką folię osadzoną na jednym z elementów podłoża (8), zaś jako stos warstw (5) stosuje się ukośną warstwę, której grubość zmienia się w sposób monotoniczny w kierunku X wzdłuż powierzchni, i przecina się podłoże (8) równolegle do kierunku X na dwa elementy (22, 23), po czym na jednym z tych elementów (22, 23) osadza się obiekt (4) w postaci cienkiej folii, i obydwa te elementy umieszcza się pomiędzy polaryzatorem (P) i krzyż owym analizatorem (A) pod mikroskopem polaryzują cym odbicie, który oświetla się ś wiatł em polichromatycznym dla utworzenia na każdym z tych elementów barwnych prążków interferencyjnych, po czym mierzy się przesunięcie prążków utworzonych odpowiednio w każdym z tych elementów i w oparciu o to przesunięcie wyznacza się wł asnoś ci warstwy osadzonej na jednym z tych elementów.
34. Sposób według zastrz. 33, znamienny tym, że próbkę oświetla się przez wiązkę oświetlającą spolaryzowaną liniowo przez polaryzator za pośrednictwem przesłony apertury i analizuje się światło odbite przez próbkę za pomocą analizatora, przy czym ustala się względną orientację φ kierunku polaryzacji względem kierunku wiązki oświetlającej i moduluje się natężenie światła odbitego poprzez względny obrót polaryzacji wiązki oświetlającej i analizatora, zaś jako przesłonę apertury wiązki oświetlającej stosuje się pierścień wycentrowany na osi wiązki i określający pojedynczy kąt padania lub przesłonę wyznaczającą stożek oświetlający, obejmujący zakres kątów padania, przy czym jednocześnie w każdym punkcie otrzymanego obrazu próbki mierzy się średni strumień odbity Φ_μ(χ,υ) oraz amplitudę jego modulacji Φ_π(χ,υ), i przetwarza się pomiary Φ_μ(χ,υ) oraz Φ_π(χ,υ) dla wyznaczenia na ich podstawie jednocześnie w każdym punkcie próbki dwóch kombinacji parametrów elipsometrycznych v(x,y) oraz A(x,y) oraz współczynnika odbicia |r_s|²(x,y) na podstawie wzorów:

^/(l + tg² ψ}=φ_Μ oraz i dla wyznaczenia na ich podstawie kombinacji sin(2v)cosA pojedynczych elipsometrycznych parametrów u/(x,y) i A(x,y) na podstawie wzoru:

przy czym parametry rs, ψ i Δ są efektywnymi parametrami pochodzącymi ze średnich na wszystkich kątach padania według wzoru:

PL 204 813 B1
35. Sposób według zastrz. 34, znamienny tym, że stosuje się dodatkowy etap, w którym ustala się orientację ukierunkowania analizatora jako nieprostopadłą do kierunku polaryzacji wiązki oświetlającej, na przykład pod kątem φ=0°, zaś jako przesłonę apertury wiązki oświetlającej stosuje się szczelinę regulowaną wokół osi optycznej mikroskopu, nałożoną na pierścień ograniczający pojedynczy kąt padania, lub przesłonę wyznaczającą stożek oświetlający, obejmujący zakres kątów padania, po czym mierzy się natężenie światła odbitego dla obydwu orientacji θ=0 i φ=π/2 szczeliny, i przetwarza się te pomiary natężenia dla otrzymania wartości tgψ, biorąc pierwiastek kwadratowy ich stosunku zgodnie z trzema wzorami:

i i2 / = 4¾ ^COSV dla φ = 0 modulo π

I~ 4²kr^cos^ dla φ - π/2 modulo π przy czym parametry ψ i Δ są efektywnymi parametrami pochodzącymi ze średnich na wszystkich kątach padania i spełniają zależności:
36. Sposób według zastrz. 34, znamienny tym, że stosuje się dodatkowy etap, w którym ustala się orientację ukierunkowania analizatora względem kierunku polaryzacji wiązki oświetlającej na φ=0, i moduluje się natężenie światła odbitego przez obrót przesłony D wokół osi optycznej, przy czym jednocześnie w każdym punkcie próbki mierzy się średni strumień odbity φ_M(x,y) oraz jego amplitudę modulacji φ^^), a następnie przetwarza się pomiary φ_M(x,y) oraz φ^^) dla wyznaczenia na ich podstawie obydwu kątów elipsometrycznych ψ^7) i Δ^) oraz modułów |r_p| i |r_s| współczynników odbicia na podstawie wzoru:

Ir!² cos²ę>cos²(^-ę>) + |rj² sin² φ sin² (φ-φ)

I - A² ¹ , . . . sin2G?sin(2ći~-2fi9) + 0½ + ⁷½)- 4 ——
37. Sposób według zastrz. 33, znamienny tym, że próbkę oświetla się wiązką oświetlającą, spolaryzowaną liniowo przez polaryzator za pośrednictwem przesłony apertury, zaś światło odbite przez próbkę analizuje się za pomocą analizatora, przy czym ustala się względną orientację φ kierunku polaryzacji względem kierunku wiązki oświetlającej, i moduluje się natężenie światła odbitego poprzez względny obrót polaryzacji wiązki oświetlającej i analizatora, zaś jako przesłonę apertury wiązki oświetlającej stosuje się szczelinę regulowaną wokół osi optycznej mikroskopu, nałożoną na pierścień określający pojedynczy kąt padania, przy czym w etapie pomiaru ustala się ukierunkowanie analizatora względem polaryzatora na wartość różną od π/2 modulo π, i mierzy się natężenie wiązki odbitej dla przynajmniej dwóch różnych i nie nadmiarowych orientacji kąta φ szczeliny, i dla przynajmniej dwóch

PL 204 813 B1 różnych względnych orientacji φ kierunku polaryzacji analizatora w stosunku do orientacji wiązki oświetlającej, po czym przetwarza się pomiary natężenia w oparciu o wzór:

a następnie wyznacza się wartości obydwu kątów elipsometrycznych y(x,y) i A(x,y), i wartości modułów współczynników odbicia |rp| i |rs|, jednocześnie w każdym punkcie próbki, przy czym parametry rs, ψ i Δ stanowią efektywne parametry pochodzące ze średnich na wszystkich kątach padania, spełniające zależności:

Zjr_sj² tanΨcosΔ) cos Δ _eff =-—-j—!-~ rsleff fPleff
38. Sposób według zastrz. 33, znamienny tym, że próbkę oświetla się przez wiązkę oświetlającą spolaryzowaną liniowo przez polaryzator za pomocą przesłony apertury, zaś światło odbite przez próbkę analizuje się przez analizator, przy czym ustala się względną orientację φ kierunku polaryzacji względem kierunku wiązki oświetlającej, i moduluje się natężenie światła odbitego przez względny obrót polaryzacji wiązki oświetlającej oraz analizatora, przy czym w etapie pomiaru ustala się orientację analizatora względem kierunku polaryzacji wiązki oświetlającej na wartość różną od π/2 modulo π, i moduluje się natężenie światła odbitego przez obrót przesłony D wokół osi optycznej, po czym jednocześnie w każdym punkcie próbki mierzy się średni strumień odbity φινι^^) oraz jego amplitudę modulacji (|>_m(x,y), a następnie przetwarza się wyniki pomiarów φ_Μ(χ,γ) oraz (|>_m(x,y) dla wyznaczenia na ich podstawie obydwu kątów elipsometrycznych y(x,y) i A(x,y) oraz modułów |r_p| i |r_s| współczynników odbicia na podstawie zależności:
39. Sposób według zastrz. 33, znamienny tym, że próbkę oświetla się przez wiązkę oświetlającą spolaryzowaną liniowo przez polaryzator za pośrednictwem przesłony apertury, zaś światło odbite przez próbkę analizuje się przez analizator, przy czym ustala się względną orientację φ kierunku polaryzacji względem kierunku wiązki oświetlającej i moduluje się natężenie światła odbitego przez względny obrót polaryzacji wiązki oświetlającej oraz analizatora, przy czym jako przesłonę apertury wiązki oświetlającej stosuje się dysk wycentrowany na osi tej wiązki, po czym jednocześnie w każdym punkcie otrzymanego obrazu próbki mierzy się średni strumień odbity φι^Ύ) oraz amplitudę jego modulacji φ,^Ύ), a następnie przetwarza się wyniki pomiarów φ_Μ^^) oraz φ,^Ύ) dla wyznaczenia na ich podstawie, jednocześnie w każdym punkcie próbki, dwóch kombinacji efektywnych parametrów elipsometrycznych y_eff(x,y) i A_eff(x,y) oraz efektywnego współczynnika odbicia |r_{s eff}|²(x,y) na podstawie wzorów:

”k|²(^{1 +} tg² ψ#)=Φ_Μ ~ W'(tg² -2tg^cosA_<jr)=^

PL 204 813 B1 i dla wyznaczenia na ich podstawie kombinacji sin(2ψ)cosΔ pojedynczych efektywnych parametrów elipsometrycznych ψθίτ(χ^) i Δθίτ(χ^) na podstawie wzoru:

sin(2(//_e#)cosA_rf = 1 «r

M przy czym efektywne parametry ψθίτ i Δ^ są określone jako: